Меточный радиационный способ определения расхода жидкостных потоков

 

.1^3обретение относится к измерению расходов ламинарных потоков жид-X/*Мгт^i'.; •(—'^Л-со00toк^ocти методом радиоакт'ивной метки. Цель изобретения - повышение Точности измерения. Проходящий по трубопроводу 1 поток с известным расходом Q* • жидкости а'ктйвируется радиоактивными метками с помощью нейтронного ' импульсного генератора 2. С интервалом времени dtp регистрируются импульсы детектора 3 в ячейках памяти ЭВМ *», что позволяет построить образцовый спектр расхода Q^. Аналогично .строятся спектры Q| расходов,.неизвестной величины (рабочие спектры). Расход Qi определяют умножением числа импульсов для каждого интервала времени dtj , на корректирующий множительexp(t-, tft) dtVdt,', где t; - время, соответствующее i-му интервалу времени, отсчитываемому от начала активации лотока; tg - постоянная распада активированного изотопа;^dt^ - интервал времени образцового спектра, и сравнением параметров рабочего и образцового спектров. 3 ил.

ГОСУЩАРСТОЕННЬЩ И(ЩИТЕТ

ОПИСАНИЕ -ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н *ВТОРСНОМЪ .СВИДВТВЛЬСТВУ (1) С 01 F 1 704

1 (21 ) 471 0644/10 (22) 26.06.89 (46) 30.01.92. Бюл. и 4 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт технической физики и автоматизации (72) В.М, Ирюшкий и A.À. Лавринович (53) 681.121.83 (088.8) (56) Маркун Н..0. и Орлов В.П. Нейтронный активацйонный метод определения скорости движения гидросмеси.

Радиационная техника. Труды ВНИИ

Радиационной техники, вып. 9. М.:

Атомиздат, 1973, с. 227-232.

Chen Т.Н., Kondic №.N., Kehlir P., et аl. Two-Phase 7е1осЫу and Density in Finite Разрез by 1пйгазйте and

Nonintrusive InstrumentatiOn (Е.G.

and С.Idaho, Inc., Idaho Falls (USA)) j

1981, р. 34. (54.)„ МЕТОЧНЫЙ РАДИАЦИОННЫЙ, СПОСОБ

ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА ЖИДКОСТНЫХ .ПОТОК0В (57),ФЬобретение относится .к измереI ню расходов ламинарных потоков жид1..SU„„1709182 A 1

2 кости методом радиоактивной метки.

Цель изобретения - повышение точности измерения. Проходящий по трубопроводу 1-поток .с известным расходом Q жидкости активируется радиоактивны-, ми метками с помощью неитронного импульсного генератора 2. С интервалом времени йа регистрируются импульсы детектора 3 в ячейках памяти

ЗВИ 4, что позволяет построить образцовый спектр расхода Qo. Аналогично .строятся спектры Я расходов,.неизвестной величины (рабочие спектры). Расход Q; определяют умножением числа импульсов для каждого интервала времени dt;, на корректирующий множитель

exp(t;, t+) Же/дц, где t, - время, соответствующее -му интервалу времени, отсчитываемому бт начала активации потока; t+ - постоянная распада активированного изотопа; dt - интер- а вал времени образцового спектра, и

- сравнением параметров рабочего и образцового спектров. 3 ил.

4Р

1709182

Однако этим нельзя достичь пол- 45 йостью равномерной активации иатериа" ла по сечению, что приводит к трудноучитываемой систематической составляющей погрешности получаемых ре..зультатов. Кроме того, в этом случае необходимо применение нескольких нейтронных генераторов и несКольких детекторов гамма-излучения, что, в свою очередь, приводит к усложнению и повышению стоимости измерительной аппаратуры, а совместная работа нескольких. нейтронных генераторов при50

55 водит к ухудшению радиационной обста-1 новки s месте проведения измерений.

Изобретение относится к расходометрии, в частности к способу бесконтактного измерения расходов жидких материалов посредством импульсной активации ионизирующим излучением, например при транспортировании жидких материалов по трубопроводам.

В" расходометрии для бесконтактно" го измерения расходов жидких матерна- 10 лов, транспортируемых по трубопроводам, известны способы, использующие, метод импульсной нейтронной активации и предусматривающие наличие -импульсного нейтронного генератора для 15 кратковременной локальной активации материала, детектора гамма-излучения для регистрации гамма-излучения активированного материала, расположенно- го ниже по течению от места актива- 20 ции, и многоканального временного анализатора для получения временного спектра числа импульсов, поступающих от детектора гамма-излучения. Также известны аналогичные методы измерения расхода, использующие импульсную фотонную активацию.

Известны способы,.использующие метод импульсной нейтронной активации, при которых с целью более равно- ЗО мерной активации материала по сечению трубопровода, более равномерного распределения чувствительности детектирующего устройства по сечению увеличения достоверности получаемых результатов, используют несколько нейтронных генераторов, расйолагае-. мых в месте активации по периметру, в . частности на противоположных сторонах трубопровода, а несколько детекто-40 ров гамма-излучения располагают"аналогичным образом в области детектиро" вания метки.

Наиболее близким к изобретению является способ бесконтактного измерения расхода посредством импульсной нейтронной активации, заключающийся в кратковременной локальной активации материала с помощью импульсного нейтронного. генератора, получении временного спектра числа импульсов, поступающих от детектора гамма-излуче. ния, расположенного ниже по течению от места активации, и последующей обработке полученного спектра с помощью ЭВИ. При -этом для активации материала используют четыре нейтронных генератора, расположенных в мес" те активации по периметру трубопровода со смещением в 90, а в области о регистрации метки используют четыре детектора гамма-излучения, расположенных аналогичным образом, причем каждый детектор соединен с входом многоканального временного анализато" ра.

Однако исследования равномерности активации материала по сечению трубопровода показывают, что и в этом случае не удается достичь полностью равномерной активации материала по сечению, а также создать детектируюЦ1ую часть аппаратуры с равномерной чувствительностью по всему сечению трубопровода в области регистрации метки. Вследствие этого преимущественной активации подвергается материал в непосредственной близости к стенкам трубопровода, à s области регистрации метки ионизирующее излучение активированного материала, находящегося вблизи стенок трубопровода, детектируется с большей эффективностью, чем ионизирующее излучение материала ,находящегося вблизи центра сечения трубопровода. Так как материал в пристеночной области движется медленнее материала, находящегося в центральной области, то .на величину систематической составляющей погрешности, а следовательно, и на,точность получаемых результатов влияют такие трудноучитываемые факторы, как конкретный характер асимметрии степени активации материала по сечению в месте активации, а также характер асимметрии чувствительности детектирующего устройства по сечению в области регистрации метки. При этом характер асимметрии в обоих случаях зависит как от параметров самой измеритель1709182 ной аппаратуры, так и от характерис" тик транспортируемого материала и параметров трубопровода. Таким образом, использование данного способа обуславливает: наличие трудноучитываемой систематической составляющей погрешности и, следовательно, снижение точности получаемых результатов.

Цель способа - повышение точности в условиях неравномерной пространственной активации потока.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения расхода жидкостных потоков, при котором создают импульсным источником ионизирующего излучения радиоактивную метку в потоке, регистрируют радиоактивное излучение метки детектором, расположенным ниже по потоку, фиксируют изменение во времени средней частоты следования импульсов с выхода де. тектора и находят значение .величины расхода обработкой полученного временного спектра, предварительно при известной величине расхода фиксируют образцовый временной спектр, после получения рабочего временного спектра в образцовый и рабочий спект. ры вводят поправку на время распада радиоактивной метки, а значение величины расхода находят путем сравнения параметров образцового и рабочего временных спектров.

На фиг.1 представлена блок-схема экспериментальной установки; на фиг.2 - три типичных временных спектра, полученные при постоянной ширине временного канала dto и значениях величин, расхода (1, О,(и О(., на

Фиг .3 - то we, спектры, полученные при ширинах временного канала Й,, . dt(и dt s соответственно для значений величины расхода Q<, Q и, и скорректированные на время распада активировавшегося изотопа.

Блок-схема установки (фиг.l) включает трубопровод 1, транспортируемую жидкостную среду 2, импульсный генератор 3 ионизирующего излучения, детектирующев устройство ((с кристаллом NaJ(T1), электронную вычислитель-. ную машину 5 с адаптерами для управ-, ления нейтронным генератором и ввода импульсов, поступающих с выхода детектирующего устройства (стрелка на рисунке указывает направление движения транспортируемого материала).

В случае установившегося ламинарного течения вязкой несжимаемой жидкости в трубопроводе постоянного сечения уравнения Навье-Стокса; описывающие движение жидкости, значительно упрощаются и распределение скоростей элементарных объемов определяется двумерным уравнением вида AV=

= A=Const и граничным условием V=0 на контуре сечения трубопровода. Следовательно, при изменении величины А, определяемой характером изменения давления в трубопроводе и наличием распределенных объемных сил, эпюра распределения скоростей движения элементарных объемов жидкости по сечению трубопровода изменяется пропррционально изменению величины А, так

2р как решение уравнения gg<=A< может быть полу (ено из решения уравйения

hV, =А,(, как V =V ° (A+A<) . Таким образом, изменение скорости течения потока означает равномерное по всему

25 сечению растяжение или сжатие эпюры распределения скоростей. В свою очередь, растяжение эпюры скоростей в

А /А(раз означает увеличение расхода жидкости в трубопроводе в Arz/À

ЗО раз, так как величина расхода определяется из .соотношения Q P7-ds:, здесь интегрирование производится по оечеиию трубопровода. В частности, для трубопровода эллиптического сечения эпюра распределения скоростей определяется соотношением 1 V l =v g«(1 х /а -у /Ъ ), здесь ху — координатная плоскость в поперечном сечении трубопровода, причем точка (х=О, у=О) совпадает с осью трубопровода, а координатные оси х и у направлены вдоль осей эллипса, равных.. соответственно 2 а и 2 Ъ; Vwagr- максимальное значение величины $ V l в сечении, а

45 вектор V параллелен оси трубопровода. Расход материала потока определяется в этом случае по сотношению ((Const1 ° V>„r . Изменение скорости течения потока означает изменение величины Ума„(от величи ь 7(м до щ ), т.е. равномерное рЬстяжение

ИЛИ СжатИЕ В Ч „4 /7,м(„, раЗ ЭПЮрЫ раСПределения скоростей. В соответствующее число раз изменяется и значение величины расхода согласно соотношению g <+ 4 (Vz mac(./V(care

Движение элементарного объема жидкой среды dV описывается уравнением dr/dt=V. Следовательно, основыва"

17091 ясь на соображениях подобия, используемых в классической механике, получим утверждение, согласно которому одновременное изменение величины Ч в k раэ, а шкалы времени в 1/k приводит к исходному уравнению, что и обуславливает подобие движения эле. ментарного объема во времени. Таким образом, область жидкой среды М, занимавшая в момент t=O .пространственное положение Go и переместившаяся при значении величины расхода Qg к моменту t4 в положение Г, при значении величины расхода О, переместится из положения С, занимаемого в момент сО, в положение С к моменту ty-=

= с1 ° (n„/Q ), т.е. примет то же пространствейное положение по отношению к детектирующему устройству, что и в момент е,1 при значении величины расхода О,, и, следовательно, эффективность регистрации ионизирующего излучения, испускаемого областью Ч, в.момент t< при расходе Qg и в момент 25

t<=t< (QÄ/O ) при расходе Q, детектирующим устройством будет одинаковой.

Однако спады радиоактивности в объеме области М, наведенной в результате кратковременной активации материа- ЗО ла в момент с=0, будут различными в моменты tq и t< и определяются соотношением A(t)=A ° åõð(-lа.t), где

А - первоначальная концентрация активированного изотопа материала, lа постоянная распада активированного изотопа, t - соответствующий момент времейи (tg или t<). Следовательно независимо от конкретного пространственного распределения степени ак- 40 тивации материала и пространственного распределения чувствительности детектирующего устройства кривая отклика этого устройства F (t), получа- емая при прохождении активированной областью зоны чувствительности при величине расхода фг., получается из кривой отклика р (1), получаемой при значении величины расхода, растяжением (или сжатием} ее по оси времени в Qg/Я раз и умножением на величину ехр(-1а(1-QQQ <) t), т:е. определяется соотношением Fz(t) =-Р ((Q

wt):ехр(-lа ° (1- q/Q ) t) . Таким образом, если измерить отклик детектирующего устройства Fq(t) первоначально при известном значении величины расхода Qg а затем при неизвестном рас.ходе Я после чего ввести поправку

82 посредством умножения каждого из откликов F (t) и F (t) íà exp(last), то полученные скорректированные отклики будут отличаться друг от друга соответствующим растяжением или сжатием по оси времени в 0+Q раэ, т.е .

Fq(t) ° ехр(lа t)=.Fq((0pJ0<) .t) ехр(1а

° ч(Ц /Qz) t). Отклик детектирующего устройства получают посредством набора в каналы временного анализатора числа импульсов, поступающих с выхода этого устройства при прохождении айтивированной. областью его зоны чувСтвительности.

Для подтверждения существования эффекта подобия, среди прочего оборудования, была использована стальная труба диаметром 60 мм, толщиной стенки 3 мм и длиной 4,5 мм. Один конец трубы через регулирующий вентиль был соединен с водопроводной сетью, другой конец через механический счетчик количества BKOC - с канализационной сетью. Калибровка механического счет" чика была проведена следующим образом. 10-литровая емкост6 для приема воды взвешивалась перед каждым измерением. Затем при неизменном положении регулирующего вентиля она за1 полнялась водой через прозрачный шланг, присоединенный к выходному отверстию механического счетчика. При. этом фиксировалось время заполнения емкости посредством секундомера и производилось взвешивание заполненной емкости на напольных весах. По разности весов пустой и заполненной емкости определялся объем воды, поступивший в емкость, в предположении, что плотность воды в водопроводной сети составляет величину 1 г/смз.

По величине объема воды, находящейся в емкости, и измеренному времени поступления в нее этого количества воды определялась величина объемного расхода делением величины объема на время его поступления. Одновременно во время заполнения емкости водой с помощью этого же секундомера (имеющего две показывающие стрелки) измерялось время, в течение которого- показания механического счетчика изменялись на величину, равную 10 л.

Величину объемного расхода получали делением величины изменения показаний механического счетчика на время, в течение которого это изменение произошло. Затеи производилось сравне1109182

10 ние величины расхода, полученной весовым методом и полученной с помощью механического счетчика количества.

Для получения статистической оценки точности измерений описанная операция повторялась не менее трех раэ. Затем величина. объемного расхода изменялась посредством изменения положения регулирующего вентиля, и вся после- 10 довательность описанных действий повторялась снова. Прозрачный шланг, сое" диняющий выходное отверстие счетчика количества с заполняемой емкостью, был использован для визуального конт- 15 роля отсутствия видимых воздушных включений в,потоке воды, проходящей через механический счетчик.

В качестве импульсного источника ионизирующего излучения был использо- 20 ван нейтронный генератор НГИ-23 с выходом нейтронов 3 ° 10г-н/имп. Он .был расположен на расстоянии 80 см от входного отверстия стальной трубы, что обеспечивало в области активации практически полное затухание возмущений потока, возникающих у входного отверстия. В качестве детектирующего устройства был использован блок детектирования БДС-1 с переходной на- 30 садкой для использования сцинтилляционного кристалла NaJ(T1) размером

63к63 мм. При этом сцинтилляционный кристалл располагался торцовой поверхностью вплотную к трубопроводу с той же стороны., с которой был рас. положен импульсный нейтронный генератор, и на расстоянии от него 1,:0 -

3,5 м в различных экспериментах вниз по течению. В качестве ЭВИ, осущест- 40 вляющей управление импульсным нейтронным генератором, сбор и о<ра отку информации, использовался комплекс программно-логический ГСП КИ 3414, построенный на базе блоков ГСП КТС

ЛИУС-2. При этом выход. блока детектирования БДС-1 был соединен через генератор импульсов Г5-54 с элементом ввода КС 34 ° 06, входящего в состав блоков ГСП КТС ЛИУС-2 и установленного в комплексе ГСП КМ 3414. Соединение выхода блока детектирования с элементом ввода КС 34,06 через генератор ийпульсов Г5-54 было осуществлено с целью увеличения длительности .55 импульсов, поступающих с блока детектирования до 50 мкс, что позволило обрабатывать последовательность этих импульсов с помощью программы, написанной на языке ассемблера микропроцессора К580, Посредством программы управления и предварительной обработки, написанной на языке ассемблера, осуществлялась выдача через .элемент вывода КС 35.06, установленного в комплексе ГСП КЙ 3414, управляющего сигнала положительной полярности ве" личиной 5В и длительностью 10 мкс на вход управления импульсного нейтронного генератора НГИ-23.

Алгоритм измерения состоял в следующем. Начиная с момента й=О на управляющий вход импульсного нейтронного генератора выдавалась серия управляющих импульсов с периодом следования 0,1.с. После выдачи последнего управляющего импульса осуществлялась временная задержка (пауза) длительностью от одной до нескольких секунд в различных экспериментах. По истечении времени задержки подсчитывалось число импульсов, поступивших на вход элемента ввода KC 34 ° 06 в течение интервала времени dt, получен.ное число отсчетов запоминалось в соответствующей ячейке памяти (в качестве запоминающего устройства использовался элемент оперативной памяти

КС 54.09, установленный также в ГСП

КИ 3414). Затем подсчитывалось число отсчетов, поступивших в течение следующего интервала времени dt, что запоминалось в следующей ячейке памяти и т.д. В результате получался временной спектр числа отсчетов, поступивших с выхода детектирующего устройства, при прохождении активированной областью потока эоны чувствительности детектора . Для активации материала потока была использована реакция 0(н,р) N, период полураспада радио. активного изотопа 0 равен 7,3 с, а энергия грамма-квантов, испускаемых при распаде (основная линия) составляет величину 6,14 ИэВ. Поэтому с

I целью уменьшения числа Фоновых отсче" тов, обусловленных низкоэнергетичес ким гамма-излучением, было снижено питающее напряжение на ФЭУ БДС- 1., до уровня, когда число фоновых отсчетов составляет 1,5 имп./с (что в 100 раэ ниже числа фоновых отсчетов при обыч" ном напряжении питания блока детектирования БДС-1, равном +12В), но в то же время эффективно регистрируется гамма-излучение с энергией более

1709182

1 ИэВ (от источника ОСо). Экспериментальные исследования проводились в области величин объемных расходов

250-720 смз/с. При этом, так как число Рейнол ьдса имело зна чен ие много меньшее критического Re (при иаксимальной величине расхода) 20Ж2300=

=Re <1„поток жидкости в трубопроводе являлся ламинарным.

Наличие эффекта подобия проводят следующим образом.

Для значения величины расхода О, выбиралась ширина канала временного спектра (интервал времени), равная

dt0. После этого производилась импульсная локальная активация потока и набор временного спектра в память

ЭВМ так, как описано выше. Процедура

15 активации и набора временных спект20 ров многократно повторялась, а вре-. менные. спектры по-канально суммиро-вались для получения статистически хорошо обусловленного суммарного спектра. Теперь, если рассматриваемый эффект подобия имеет место в действительности, то набор аналогичного суммарного временного спектра при величине расхода (} и ширине ка25 нала dt< М (Оо/0 q) и последующее

30 умножение числа отсчетов в каждом из каналов обоих суммарных спектров на величину exp(t; ° 1а) dt /dt(, где

t; - время, соответствующее -му временному каналу спектра и отсчитываемое от момента начала импульсной ак1 тивации потока., 1а - постоянная распада .активированного изотопа,. приве35 дет к тому, что оба временных спектра будут неразличимы в пределах статис-- 40 тической точности эксперимента.

Такие эксперименты были проделаны для различных значений Од, dto u

dt а также йри различных расстояниях между импульсным нейтронным 45 генератором и детектором.

Так, в качестве примера на фиг.2 изображены временные спектры, полученные при следующих значениях величины расхода в трубопроводе: О.р = ц „ = 714 смз/c в 7

= 286 смз/с, и ширине временного, ка" нала равной 0,2. с. При этом детекторрасполагался на расстоянии 2 и от импульсного нейтронного генератора, величина задержки (паузы) составляла

1 с, а число импульсов нейтронного генератора (число управляющих импульсов, выдаваемых.на генератор НГИ-23 и число просуммированных спектров при каждой величине расхода были такими же, как и в предыдущем случае (для фиг.2). Совпадение в пределах точности эксперимента всех трех временных спектров, показанных на фиг.3 служит экспериментальным подтверждением наличия эффекта подобия. 8 соответствии с приведенным теоретическим обоснованием такой эффект должен наблюдаться для трубопроводов любого диаметра и независимо от степени равномерности активации материала потока по сечению трубопровода.

Таким образом, предлагаемый cno" соб определения величины расхода может быть использован при любых диаметрах трубопровода. При этом неравномерность активации материала потока по сечению трубопровода не оказывает влияния на достоверность получаемых результатов, а это приводит к улучшению точности определения. величины расхода. изобретения форму ла

Иеточный радиационный способ,определения расхода жидкостных потоков, при котором создают импульсным источником ионизирующего излучения радиоактивную метку в потоке, регистрируют радиоактивное излучение метки детектором, расположенным ниже по пото ку, фиксируют изменение во времени с целью локальной активации потока) было равно 5. При каждой величине расхода было просуммировано 50 спект-. ров. На фиг.3 изображены временной спектр, измеренный при величине расхода О = 400 смз/с с шириной канала

0,2 с и умноженный по-канально на величину exp(t; 1а) (t — время, соответствующее i-му временному каналу спектра и отсчитываемое от момента начала импульсной активации потока, 1а - постоянная распада активированного изотопа), временной спектр, измеренный при величине расхода Ц =

= 714 смз/с, ширине канала dt s =

= 0,12 с и умноженный по-канально на величину ехр(t .1а) ° dt /dt s „ временной спектр, измеренный при величине расхода ф2 = 286 смз/с, ширине канааа dt = 0,27 и умноженный по-канально на величину exp(t> 1a) йй ©/dt

Расположение детектора, задержка (пауза), число управляющих импульсов

t709t82

Ф,иеп. камал

Л1 4g Я

Уиг.z йу ЦИГ(Канал

4 кенала

6ЙЙ,« Я A

23Я

Е h+. Я, 1

Составитель В Ирюшкин

Техред А.Кравчку

Редактор И. Келемеш

Корректор Л. Пилипенко. Заказ 420 . . Тираж Подписное

ВЙИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-.35, Раушская наб,. д. 4/5 а»Ее«ее«ее»ее»а»ее е а»еаа»еа » еа а»а»»аа» аае ее»а»ее еее»еае а»ее»ее»ее»ее»ее а»ее

Производственно -издательский комбинат "Патент", r.ÓæãîðîÄ, ул.Гагарина, t0) средней частоты следования импульсов с выхода детектора w находят значе" ние величины расхода обработкой полученного рабочего временного спектра, отличающийся тем, что, с целью повышения точности в условиях неравномерной пространственной акти.вации потока, предварительно при известной величине расхода фиксируют образцовый временной спектр, после получения рабочего временного спект- ра в образцовый и рабочий спектры

5 вводят поправку на время распада радиоактивной метки, а значение величины расхода находят путем сравнения параметров образцового и рабочего . временных спектров.